基于指標法和層次分析法的淺層地熱能資源勘查及評價

摘要：以山東省聊城市東昌府區淺層地熱能開發利用示范工程為例，系統研究示范工程選址、換熱方式選型的思路和工作方法。相關結論不僅為換熱孔的設計和施工提供了依據，也為開展淺層地熱能開發利用項目提供了參考。

關鍵詞：淺層地熱能；工程選址；換熱方式選型

中圖分類號：P314 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.040

Exploration and Evaluation of Shallow Geothermal Energy Resources Based on Indicator Method and Analytic Hierarchy Process

SHANG Feilong1，2， BI Lei1，2， KONG Fandu1，2， MA Yadi1，2， ZHENG Zhuangzhuangn1，2

（1. No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau;

2. Low Carbon Energy and Carbon Neutrality Engineering Research Center， Qingdao 266500， China）

Abstract： Taking the demonstration project of shallow geothermal energy development and utilization in Dongchangfu District， Liaocheng City， Shandong Province as an example， this paper systematically studies the ideas and working methods of site selection and heat exchange mode selection for the demonstration project. The relevant conclusions not only provide a basis for the design and construction of heat exchange holes， but also provide reference for the development and utilization of shallow geothermal energy projects.

Keywords： shallow geothermal energy; project site selection; selection of heat exchange methods

淺層地熱能是蘊藏在地表以下一定深度范圍內具有開發利用價值的熱能，主要采用地源熱泵技術將蘊藏在淺層地下的低品位熱能轉化為高品位熱，既可以用于供熱又可以用于制冷，是一種清潔、節能、可持續利用的綠色能源，利用前景廣闊[1]。開發淺層地熱能對建設生態山東具有重要的意義，是構建資源節約型和環境友好型社會、保障能源安全、改善現有能源結構、實現節能減排戰略目標的重要措施[2]。

為推進山東省淺層地溫能資源開發利用產業的科學化、規范化發展，為省內地熱資源可持續利用提供技術支撐，山東省煤田地質局第一勘探隊在聊城市東昌府區開展了淺層地熱能開發利用示范工程建設項目。

1 地質環境概況

東昌府區淺層地溫能開發利用示范工程建設項目位于魯西北平原，區內多屬黃河沖積平原，由于區域地殼運動以下降為主，沉積了巨厚的松散堆積物，屬于黃河三角洲松散物沉積區[3]。根據區域資料，工作區第四系厚度為140～180 m。總的趨勢是中東部聊考斷裂附近厚度較小，斷裂東西兩側逐漸變厚，為河流沖積堆積形成，巖性以細砂、粉砂、粉土及黏土為主。

工作區地下含水巖組以松散巖類孔隙含水巖組為主，地下水總體自東南向西北徑流。工程場地屬強富水地段，100 m以淺的地層均為第四系松散層，含水層有3～7層，單層厚度為0.5～8.0 m，主要分布于中部和下部，總厚度為12.2～21.3 m。含水層厚度自西向東逐漸增厚。根據區域水文地質資料，場地內單井涌水量為1 000～3 000 m3/d，水位埋深一般在6 m左右。水化學類型主要為碳酸鹽巖型，礦化度為1～3 g/L，地下水流向為自西向東。工作區西北部和東部的回灌率小于50%，北部、南部部分地段的回灌率大于80%，其余大部地區的回灌率為50%～80%。中深層地下水的回灌率一般為50%左右。

區內平均地溫梯度為2.6 ℃/100 m，100 m深度平均地溫為17 ℃。巖土體平均導熱系數為1.857 W/（m·℃），平均熱擴散系數為0.069 m2/d，平均比熱容為1.189 m2/d，平均孔深換熱量均值為54.44 W/m。

2 淺層地熱能開發利用示范工程選址及選型

2.1 工作區淺層地熱能開發利用適宜性分區

分別采用指標法和層次分析法對兩種換熱方式進行淺層地熱能開發利用適宜性分區。

2.1.1 指標法

地下水換熱方式的影響指標主要包括單位用水量、回灌率、地下水位年下降量及特殊地區。地埋管換熱方式的影響指標主要包括松散巖土體厚度、導熱系數、含水層總厚度等。地下水換熱方式適宜性分區如表1所示，地埋管換熱適宜性分區如表2所示。

2.1.2 層次分析法

運用層次分析法分析地下水換熱方式的4個屬性指標和10個要素指標。其中，4個屬性指標包括水動力場、水溫場、水文地質條件、水化學特征及地質環境，10個要素指標包括回灌能力、含水層厚度、富水性、地下水位埋深、地下水質、地下水位下降速率、地下水溫度、地溫梯度、地面沉降程度及水源地保護區。運用層次分析法分析地埋管換熱方式的3個屬性指標和9個要素指標。其中，3個屬性指標包括地層屬性、地質與水文地質條件、地質環境，9個要素指標包括滲透系數、松散層厚度、含水層厚度、地下水位埋深、咸淡水界面埋深、地層巖性、地面沉降程度、熱導率及水源地保護。

東昌府區淺層地溫能開發利用示范區在不同換熱方式下，淺層地熱能開發利用適宜性分區存在差異。區西北部和東部為地下水地源熱泵適宜性差區，其余大部分地區為適宜性中等和好區。適宜性好區的淺層地溫能資源豐富，具有換熱能力好、富水性好等優勢，非常適合建設地埋管地源熱泵系統。

2.2 淺層地熱能開發利用示范工程選址、換熱方式選型結果

東昌府區婦幼保健院嘉明分院建設工程位于地埋管換熱方式適宜性好區，位于地下水換熱方式不適宜性區，且工作區內采用地埋管換熱方式的工程運行效果優于采用地下水換熱方式的工程。因此，東昌府區婦幼保健院嘉明分院建設工程可作為本項目的示范工程，換熱方式選擇地埋管換熱方式。根據工作區調查結果并結合場地條件，示范工程地埋管換熱孔單孔深度為100 m，井間距為4 m。

3 淺層地熱能資源評價

3.1 工程場地淺層地熱能資源評價

工程場地淺層地熱能資源評價以工程場地勘查為基礎，進行場地淺層地熱容量評價和場地淺層地熱能潛力評價，從而判斷工程場地是否滿足工程供暖（制冷）需要。

3.2 場地淺層地熱容量評價

根據場地的實際情況，運用體積法計算淺層地溫容量，首先計算包氣帶和飽水帶中單位溫差儲藏的熱量，然后對評價范圍內地質體的儲熱量合并計算，計算公式為

QR=ρCV（1）

式中：QR為淺層地溫能熱容量，kJ/℃；ρ為儲熱介質的密度，kg/m3；C為儲熱介質的比熱容，

kJ/（kg·℃）；V為儲熱介質的體積，m3。計算過程中應考慮巖土體骨架、水和空氣的熱容量。

場地淺層地熱能可利用面積為12 940 m2，地下水位平均為6 m，根據場地勘查獲得的巖土體熱物性參數，可以計算出場地100 m以淺的淺層地溫能熱容量為2.78×109 kJ/℃。

3.3 淺層地熱能資源潛力評價

3.3.1 淺層地熱能換熱功率

評價區換熱功率的計算公式為

Qh=D×n×10-3（2）

n=M/d（3）

式中：Qh為換熱功率，kW；D為單孔換熱功率，W；n為計算面積內換熱孔數；M為場地淺層地熱能可利用面積，m2；d為換熱孔間距，m。

3.3.2 淺層地熱能資源潛力評價

與區域淺層地熱能資源潛力評價不同，場地淺層地溫能資源潛力評價采用場地可利用量的供暖和制冷面積表示，其計算公式為

S=Qh/q（4）

式中：S為供暖（制冷）面積，m2；q為建筑物單位熱（冷）負荷，W/m2。

根據建筑用途、人員密度等相關技術參數，采用建筑面積負荷指標選取經驗值，即建筑物單位面積冷負荷為101.6 W/m2，單位面積熱負荷為102.9 W/m2，計算出場地淺層地熱能資源可供暖面積為29 214 m2，可制冷面積為53 707 m2，均大于建筑物擬服務面積，滿足工程供暖（制冷）需要。

4 結論

采用指標法及層次分析法進行適宜性分區對比評價，得出以下結論。在地下水地源換熱方面，東昌府區西北部和東部為適宜性差區，其余地區為適宜性中等和好區。在地埋管換熱方面，東昌府區大部分地區為適宜性好區，更適宜采用地埋管換熱方式。

參考文獻

1 孔凡杜，王玉虎，柳曉松，等.地下水地源熱泵單井回灌率計算方法探討[J].西部資源，2021（2）：121-123.

2 王光凱，雷耀東，白 云，等.龍口市淺層地溫能賦存條件及開發適宜性分區[J].山東國土資源，2020（12）：32-39.

3 喻 超，王英鵬，王增輝，等.山東省聊城市“聊茌東”都市區地球化學背景值研究[J].山東國土資源，2021（12）：56-64.